Группа № 11 Информатика и ИКТ
Урок № 10
Тема: Технологии трехмерной графики. Представление звуковой информации: MIDI и цифровая запись. Понятие о методах сжатия данных. Форматы файлов.
Практическая работа № 5. Представление изображений и звука
Цели: познакомиться с основными понятиями: моделирование, трехмерная графика; сформировать представление о том, как в компьютере кодируется звуковая информация, о методах сжатия данных;
Выполнить практическую работу.
ПЛАН
1. Проработать теоретический материал
2. Выполнить практическую работу
3. Оформить работу
Теоретические сведения
D - трёхмерная графика
Трёхмерная графика (от англ. 3 Dimensions - рус. 3 измерения) - раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов.
Трёхмерное изображение на плоскости отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ.
Трехмерная модель
Модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).
Применение
1. Трёхмерная графика активно применяется для создания изображений на плоскости экрана или листа печатной продукции в науке и промышленности, например в системах автоматизации проектных работ (САПР; для создания твердотельных элементов: зданий, деталей машин, механизмов), архитектурной визуализации (сюда относится и так называемая «виртуальная археология»), в современных системах медицинской визуализации.
2. Самое широкое применение - во многих современных компьютерных играх.
3. Также как элемент кинематографа, телевидения, печатной продукции.
Представление звуковой информации в компьютере
Звук представляет собой непрерывный сигнал — звуковую волну с меняющейся амплитудой и частотой.
Чем больше амплитуда сигнала, тем он громче для человека.
Чем больше частота сигнала, тем выше тон.
Частота звуковой волны выражается числом колебаний в секунду и измеряется в герцах (Гц, Hz).
Человеческое ухо способно воспринимать звуки в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, который называют звуковым.
Количество бит, отводимое на один звуковой сигнал, называют глубиной кодирования звука.
Современные звуковые карты обеспечивают 16-, 32- или 64-битную глубину кодирования звука.
При кодировании звуковой информации непрерывный сигнал заменяется дискретным, то есть превращается в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).
Процесс перевода звуковых сигналов от непрерывной формы представления к дискретной, цифровой форме называют оцифровкой.
Важной характеристикой при кодировании звука является частота дискретизации — количество измерений уровней сигнала за 1секунду:
- 1 (одно) измерение в секунду соответствует частоте 1 Гц;
- 1000 измерений в секунду соответствует частоте 1 кГц.
Частота дискретизации звука — это количество измерений громкости звука за одну секунду.
Количество измерений может лежать в диапазоне от 8 кГц до 48 кГц (от частоты радиотрансляции до частоты, соответствующей качеству звучания музыкальных носителей).
Чем больше частота и глубина дискретизации звука, тем более качественным будет звучание оцифрованного звука. Самое низкое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству телефонной связи, получается при частоте дискретизации 8000 раз в секунду, глубине дискретизации 8 битов и записи одной звуковой дорожки (режим «моно»). Самое высокое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству аудио-CD, достигается при частоте дискретизации 48000раз в секунду, глубине дискретизации 16 битов и записи двух звуковых дорожек (режим «стерео»).
Необходимо помнить, что чем выше качество цифрового звука, тем больше информационный объем звукового файла.
Оценить информационный объём моноаудиофайла (V) можно следующим образом: V = N⋅f⋅k, где N — общая длительность звучания (секунд), f — частота дискретизации (Гц), k — глубина кодирования (бит).
Например, при длительности звучания 1 минуту и среднем качестве звука (16 бит, 24 кГц):
V = 60⋅24000⋅16 бит = 23040000 бит = 2880000 байт = 2812,5 Кбайт = 2,75 Мбайт.
При кодировании стереозвука процесс дискретизации производится отдельно и независимо для левого и правого каналов, что, соответственно, увеличивает объём звукового файла в два раза по сравнению с монозвуком.
Например, оценим информационный объём цифрового стереозвукового файла длительностью звучания 1секунда при среднем качестве звука (16 битов, 24000 измерений в секунду). Для этого глубину кодирования необходимо умножить на количество измерений в 1секунду и умножить на 2 (стереозвук):
V=16 бит ⋅24000⋅2 = 768000 бит = 96000 байт = 93,75 Кбайт.
Существуют различные методы кодирования звуковой информации двоичным кодом, среди которых можно выделить два основных направления: метод FM и метод Wave-Table.
Метод FM (Frequency Modulation) основан на том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой правильную синусоиду, и, следовательно, может быть описан кодом. Разложение звуковых сигналов в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов выполняют специальные устройства — аналогово-цифровые преобразователи (АЦП).
Преобразование звукового сигнала в дискретный сигнал: a — звуковой сигнал на входе АЦП; б — дискретный сигнал на выходе АЦП.
Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодированного числовым кодом, выполняют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Процесс преобразования звука представлен на рис. ниже. Данный метод кодирования не даёт хорошего качества звучания, но обеспечивает компактный код.
Преобразование дискретного сигнала в звуковой сигнал: а — дискретный сигнал на входе ЦАП; б — звуковой сигнал на выходе ЦАП.
Таблично-волновой метод (Wave-Table) основан на том, что в заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков окружающего мира, музыкальных инструментов и т. д. Числовые коды выражают высоту тона, продолжительность и интенсивность звука и прочие параметры, характеризующие особенности звука. Поскольку в качестве образцов используются «реальные» звуки, качество звука, полученного в результате синтеза, получается очень высоким и приближается к качеству звучания реальных музыкальных инструментов.
Звуковые файлы имеют несколько форматов. Наиболее популярные из них MIDI, WAV, МРЗ.
Формат MIDI (Musical Instrument Digital Interface) изначально был предназначен для управления музыкальными инструментами. В настоящее время используется в области электронных музыкальных инструментов и компьютерных модулей синтеза.
Формат аудиофайла WAV (waveform) представляет произвольный звук в виде цифрового представления исходного звукового колебания или звуковой волны. Все стандартные звуки Windows имеют расширение WAV.
Формат МРЗ (MPEG-1 Audio Layer 3) — один из цифровых форматов хранения звуковой информации. Он обеспечивает более высокое качество кодирования.
Практическая работа № 5. Представление изображений и звука
Цель работы: практическое закрепление знаний о представлении в компьютере графических данных и звука.
Справочная информация
В некоторых заданиях используется модельный (учебный) вариант монитора с размером растра 10 х 10 пикселей.
При векторном подходе изображение рассматривается как совокупность простых элементов: прямых линий, дуг, окружностей, эллипсов, прямоугольников, закрасок и пр., которые называются графическими примитивами. Графическая информация — это данные, однозначно определяющие все графические примитивы, составляющие рисунок.
Положение и форма графических примитивов задаются в сис теме графических координат, связанных с экраном. Обычно начало координат расположено в верхнем левом углу экрана. Сетка пикселей совпадает с координатной сеткой. Горизонтальная ось X направлена слева направо; вертикальная ось У — сверху вниз.
Отрезок прямой линии однозначно определяется указанием координат его концов; окружность — координатами центра и радиусом; многоугольник — координатами его углов, закрашенная область — граничной линией и цветом закраски и пр.
Учебная система векторных команд представлена в таблице. 
Например, требуется написать последовательность получения изображения буквы К:
Изображение буквы «К» на рисунке описывается тремя векторными командами:
Линия(4, 2, 4, 8)
Линия(5, 5, 8, 2)
Линия(5, 5, 8, 8)
Задание 1
Построить двоичный код приведенного черно-белого растрового изображения, полученного на мониторе с размером растра 10 х 10.
Задание 2
Определить, какой объем памяти требуется для хранения
1 бита изображения на вашем компьютере (для этого нужно через Свойства экрана определить битовую глубину цвета).
Задание 3
Битовая глубина цвета равна 24. Сколько различных оттенков серого цвета может быть отображено на экране (серый цвет получается, если уровни яркости всех трех базовых цветов одинаковы)?
Задание 4
Дан двоичный код 8-цветного изображения. Размер монитора — 10 х 10 пикселей. Что изображено на рисунке (зарисовать)?
Задание 5
Описать с помощью векторных команд следующие рисунки (цвет заливки произвольный).
Задание 6
Получить растровое и векторное представления всех цифр от 0 до 9.
Задание 7
По приведенному ниже набору векторных команд определить, что изображено на рисунке (зарисовать).
Цвет рисования Голубой
Прямоугольник 12, 2, 18, 8
Прямоугольник 10, 1, 20, 21
Прямоугольник 20, 6, 50, 21
Цвет рисования Желтый
Цвет закраски Зеленый
Окружность 20, 24, 3
Окружность 40, 24, 3
Закрасить 20, 24, Желтый
Закрасить 40, 24, Желтый
Цвет закраски Голубой
Закрасить 30, 10, Голубой
Закрасить 15, 15, Голубой
Цвет закраски Розовый
Закрасить 16, 6, Голубой
Задание 8
Определить, какой объем имеет 1 страница видеопамяти на вашем компьютере (узнать для этого, какое у компьютера разрешение и битовая глубина цвета). Ответ записать в мегабайтах.
Задание 9
Нарисовать в редакторе Paint изображение солнца, сохранить его в формате BMP, а затем с помощью Photoshop преобразовать его в форматы JPEG (с наивысшим качеством), JPEG (с наименьшим качеством), GIF, TIFF. Сравнить эффективность сжатия каждого формата, заполнив таблицу.
Задание 10
Битовая глубина цвета равна 32. Видеопамять делится на две страницы. Разрешающая способность монитора 800 х 600. Вычислить объем видеопамяти.
Задание 11
На компьютере установлена видеокарта объемом 2 мегабайта. Какое максимально возможное количество цветов теоретически допустимо в палитре при работе с монитором, имеющим разрешение 1280 х 1024?
Задание 12
Какой объем видеопамяти в килобайтах нужен для хранения изображения размером 600 х 350 пикселей, использующего 8-цветную палитру?
Задание 13
Зеленый цвет на компьютере с объемом страницы видеопамяти 125 Кбайт кодируется кодом 0010. Какова может быть разрешающая способность монитора?
Задание 14
Монитор работает с 16-цветной палитрой в режиме 640 х 400 пикселей. Для кодирования изображения требуется 1250 Кбайт. Сколько страниц видеопамяти оно занимает?
Задание 15
Сколько цветов можно максимально использовать для хранения изображения размером 350 х 200 пикселей, если объем страницы видеопамяти — 65 Кбайт?
Задание 16
Определить объем памяти для хранения цифрового аудиофайла, время звучания которого 5 минут при частоте дискретизации 44,1 КГц и глубине кодирования 16 битов.
Домашнее задание
Проработать материал лекции, выполнить практическую работу